ES2949803T3 - Low gain avalanche detector for low penetration particles - Google Patents

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Abstract

El detector de avalanchas de baja ganancia y partículas de baja penetración comprende una estructura multicapa y recibe partículas de una fuente de radiación (13). Consta de una delgada región de entrada que recibe las partículas de la fuente de radiación (13); una región de detección de partículas de baja penetración, con un tope de campo superficial p++ (1), colocado debajo de la región de entrada, y una capa de absorción p (3), colocada debajo del tope de campo superficial p++ (1), y una capa de multiplicación n (4); y una región de detección de partículas de alta penetración colocada debajo de la capa de multiplicación n (4), que consta de un sustrato de n-silicio (5). Debido a las polaridades de dopaje elegidas, los electrones primarios (creados por las partículas de la fuente de radiación (13)) se alejan de la zona de entrada. De esta manera, las señales de partículas de baja penetración o radiación experimentan amplificación. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)The low-gain avalanche and low-penetration particle detector comprises a multilayer structure and receives particles from a radiation source (13). It consists of a thin entrance region that receives the particles from the radiation source (13); a low penetration particle detection region, with a surface field stop p++ (1), placed below the entrance region, and an absorption layer p (3), placed below the surface field stop p++ (1) , and an n(4) multiplication layer; and a high-penetration particle sensing region placed beneath the n-multiplying layer (4), which consists of an n-silicon substrate (5). Due to the chosen doping polarities, the primary electrons (created by the radiation source particles (13)) move away from the entrance zone. In this way, signals from low-penetration particles or radiation experience amplification. (Automatic translation with Google Translate, without legal value)

Description

DESCRIPCIÓNDESCRIPTION

Detector de avalancha de baja ganancia para partículas de baja penetraciónLow gain avalanche detector for low penetration particles

Objeto de la invenciónObject of the invention

El objeto de la invención es un detector de avalancha de baja ganancia para partículas de baja penetración con una estructura estratificada, que tiene la capacidad de detectar radiación o partículas de baja penetración, una resolución temporal excelente y un bajo nivel de ruido, y que además es capaz de operar a temperatura ambiente.The object of the invention is a low-gain avalanche detector for low-penetration particles with a stratified structure, which has the ability to detect radiation or low-penetration particles, excellent temporal resolution and a low noise level, and which also It is capable of operating at room temperature.

Antecedentes de la invenciónBackground of the invention

Los detectores de radiación de silicio, basado en el diodo PIN, están muy consolidados en los experimentos de física de alta energía. El diodo PIN, operado con una polarización inversa externa en pleno agotamiento, produce una señal proporcional a la energía depositada por la radiación incidente.Silicon radiation detectors, based on the PIN diode, are well established in high-energy physics experiments. The PIN diode, operated with an external reverse bias at full depletion, produces a signal proportional to the energy deposited by the incident radiation.

Los fotodetectores de silicio se utilizan ampliamente, por ejemplo, en instalaciones de sincrotrón como detectores de rayos X o en experimentos de física de partículas a gran escala como detectores de partículas. Los fotodetectores de silicio se utilizan por sus destacadas características, que incluyen su tamaño compacto, su alta eficiencia cuántica para un intervalo amplio de longitud de onda y su alta resolución espacial, definida por la segmentación del diodo bien como placas, tiras o píxeles.Silicon photodetectors are widely used, for example, in synchrotron facilities as X-ray detectors or in large-scale particle physics experiments as particle detectors. Silicon photodetectors are used for their outstanding features, which include their compact size, high quantum efficiency over a wide wavelength range, and high spatial resolution, defined by diode segmentation as either plates, strips, or pixels.

Para detectar partículas de baja penetración (por ejemplo, protones, electrones y/o neutrones de baja energía) y rayos X de baja energía (partículas de luz, fotones) se desarrolló el fotodiodo de avalancha (APD). Este tipo de detector presenta una amplificación de señal interna con una ganancia proporcional a la tensión de polarización aplicada, con buena uniformidad en grandes áreas de detección. El funcionamiento de un dispositivo de este tipo en la región lineal proporciona una salida de señal proporcional a la energía absorbida, con un factor de ganancia entre 10 y 100, permitiendo la detección de señales de baja intensidad, incluso de hasta unos pocos fotones. Sin embargo, hay ruido asociado con el proceso de multiplicación, que puede distorsionar la relación señal-ruido, además, los niveles de corriente de fuga asociados con los APD son demasiado altos para ser compatibles con los modernos sistemas de lectura de píxeles híbridos que se utilizan en la física de partículas y los detectores de píxeles híbridos.To detect low-penetration particles (e.g., low-energy protons, electrons, and/or neutrons) and low-energy X-rays (light particles, photons), the avalanche photodiode (APD) was developed. This type of detector features internal signal amplification with a gain proportional to the applied bias voltage, with good uniformity over large detection areas. The operation of such a device in the linear region provides a signal output proportional to the absorbed energy, with a gain factor between 10 and 100, allowing the detection of low intensity signals, even up to a few photons. However, there is noise associated with the multiplication process, which can distort the signal-to-noise ratio, and the leakage current levels associated with APDs are too high to be compatible with modern hybrid pixel readout systems being used. used in particle physics and hybrid pixel detectors.

La modificación de los niveles de dopaje en el APD permitió la producción de un dispositivo con una ganancia menor, en la región de 5 a 10, que opera en el modo lineal para una respuesta proporcional. Dichos dispositivos se conocen como detectores de avalancha de baja ganancia (LGAD).Modifying the doping levels in the APD allowed the production of a device with a lower gain, in the region of 5 to 10, operating in the linear mode for a proportional response. Such devices are known as low gain avalanche detectors (LGAD).

Estos operan a baja tensión y, por lo tanto, requieren un sustrato de silicio de alta resistividad (5-10 kücm) para lograr el agotamiento total. La ganancia menor reduce el ruido y la dependencia de ganancia que del detector respecto a la temperatura del dispositivo y la tensión de polarización aplicada, en comparación con los APD estándar. El diodo se puede segmentar de la misma manera que los detectores PIN estándar, ya que la baja ganancia evita la diafonía. Por lo tanto, se pueden fabricar detectores de píxeles híbridos que permitan la detección de rayos X de baja energía y produzcan señales por debajo del nivel mínimo de ruido de la electrónica.These operate at low voltage and therefore require a high resistivity silicon substrate (5-10 kücm) to achieve full depletion. The lower gain reduces noise and the detector's gain dependence on device temperature and applied bias voltage, compared to standard APDs. The diode can be segmented in the same way as standard PIN detectors, as the low gain prevents crosstalk. Therefore, hybrid pixel detectors can be fabricated that allow detection of low-energy X-rays and produce signals below the noise floor of the electronics.

El diseño LGAD permite la detección de señales de subnanosegundos producidas por partículas ionizantes mínimas, donde la ionización se produce uniformemente en función de la profundidad en el detector. Para un LGAD con una ganancia de 10, si el sustrato del LGAD se reduce un orden de magnitud en comparación con un detector de silicio PIN estándar, se producirá la misma carga de señal total a partir de una partícula ionizante mínima. Sin embargo, el tiempo de recolección se reducirá un orden de magnitud.The LGAD design enables the detection of subnanosecond signals produced by minimal ionizing particles, where ionization occurs uniformly as a function of depth in the detector. For an LGAD with a gain of 10, if the LGAD substrate is reduced by an order of magnitude compared to a standard PIN silicon detector, the same total signal loading will be produced from a minimal ionizing particle. However, the collection time will be reduced by an order of magnitude.

Adicionalmente, los detectores de avalancha invertidos de baja ganancia (iLGAD) son conocidos por el estado de la técnica. Los iLGAD tienen una estructura APD (fotodiodo de avalancha) en el contacto trasero, mientras que la superficie delantera segmentada se crea con un contacto óhmico. Los iLGAD son detectores sensibles a la posición P-sobre-P, con baja amplificación de señal y un campo eléctrico uniforme a lo largo del área del dispositivo, que garantiza la misma amplificación de señal dondequiera que una partícula atraviese el grueso sensible.Additionally, inverted low gain avalanche detectors (iLGAD) are known from the state of the art. iLGADs have an APD (avalanche photodiode) structure at the rear contact, while the segmented front surface is created with an ohmic contact. iLGADs are P-on-P position sensitive detectors, with low signal amplification and a uniform electric field across the device area, ensuring the same signal amplification wherever a particle passes through the sensitive bulk.

La tecnología es repetible y está bien controlada. Sin embargo, no es capaz de detectar iones, partículas cargadas o radiación con poca profundidad de penetración, es decir, profundidades de penetración inferiores a un micrómetro. The technology is repeatable and well controlled. However, it is not capable of detecting ions, charged particles or radiation with shallow penetration depth, that is, penetration depths less than one micrometer.

El documento "Low Gain Avalanche Detectors for high energy physics", P. Fernández-Martínez et al., 2015, X Conferencia Española de Electrónica de dispositivos (CDE), IEEE, 11/02/2015, divulga un LGAD de partículas de alta penetración con un electrodo n+, una capa de multiplicación tipo p y un sustrato p, donde las partículas son absorbidas en el sustrato y donde los correspondientes portadores generados (electrones) se amplifican en la capa de multiplicación de alto campo.The document "Low Gain Avalanche Detectors for high energy physics", P. Fernández-Martínez et al., 2015, X Spanish Conference on Device Electronics (CDE), IEEE, 02/11/2015, discloses an LGAD of high penetration with an n+ electrode, a p-type multiplication layer and a p-substrate, where the particles are absorbed into the substrate and where the corresponding generated carriers (electrons) are amplified in the high-field multiplication layer.

Descripción de la invención Description of the invention

Se entiende por partícula de baja penetración una partícula con una profundidad de penetración en el silicio inferior a 1 micrómetro. Al intentar detectar la señal de una partícula de baja penetración, un sensor se enfrenta a tres requisitos distintos: en primer lugar, las capas no activas en la superficie deben ser delgadas, en segundo lugar, la eficiencia de recolección de carga (CCE) debe ser alta en la superficie y, en tercer lugar, la lectura debe presentar una relación señal-ruido (SNR) alta.A low penetration particle is understood to be a particle with a depth of penetration into the silicon of less than 1 micrometer. When trying to detect the signal of a low-penetration particle, a sensor faces three distinct requirements: first, the non-active layers on the surface must be thin, second, the charge collection efficiency (CCE) must be high at the surface and, thirdly, the reading must have a high signal-to-noise ratio (SNR).

En cuanto al primer requisito, los sensores semiconductores siempre tienen capas no activas en sus superficies para protegerlos del entorno exterior. Estas capas no activas deben hacerse lo más delgadas posible, para así permitir que, en primer lugar, la partícula de baja penetración alcance la capa sensible del sensor. Pero, aun así, una parte significativa de la energía de la partícula primaria se deposita en las capas no activas y no se puede medir. Por tanto, el grosor y la composición de las capas no activas definen el límite inferior de energía del sensor.Regarding the first requirement, semiconductor sensors always have non-active layers on their surfaces to protect them from the external environment. These non-active layers should be made as thin as possible to allow the low-penetration particle to reach the sensitive layer of the sensor in the first place. But even so, a significant part of the energy of the primary particle is deposited in the non-active layers and cannot be measured. Therefore, the thickness and composition of the non-active layers define the lower energy limit of the sensor.

En cuanto al segundo requisito, la superficie de un sustrato de silicio (por debajo de las capas no activas) tiene una densidad de defectos más alta que el grueso y, por lo general, está muy dopada para formar una parada de campo. Por tanto, los pares electrón-hueco creados a partir de la energía depositada en la región de la superficie de silicio se enfrentan a una mayor probabilidad de recombinación, reduciendo así aún más la señal medible. Esto se manifiesta en una CCE que normalmente es significativamente inferior a 1 cerca de la superficie de silicio. Sin embargo, un sensor con alta eficiencia de detección debe tener un CCE de 1 cerca de la superficie.Regarding the second requirement, the surface of a silicon substrate (below the non-active layers) has a higher defect density than the bulk and is typically heavily doped to form a field stop. Therefore, the electron-hole pairs created from the energy deposited in the silicon surface region face a higher probability of recombination, thus further reducing the measurable signal. This manifests itself in a CCE that is typically significantly less than 1 near the silicon surface. However, a sensor with high detection efficiency should have a CCE of 1 near the surface.

En cuanto al tercer requisito, la carga de la señal restante puede ser fácilmente de un orden de magnitud menor que la señal de una partícula mínimamente ionizante (MIP). Así pues, una lectura con una SNR suficientemente alta es de suma importancia.As for the third requirement, the charge of the remaining signal can easily be an order of magnitude lower than the signal of a minimally ionizing particle (MIP). Thus, a reading with a sufficiently high SNR is of utmost importance.

Especialmente para partículas de baja penetración, como protones de baja energía, la señal del sensor se crea cerca de la superficie del sensor, la mayor parte en una profundidad inferior a 1 micrómetro. En los sensores de silicio convencionales, las capas no activas en la superficie son mucho más gruesas que eso.Especially for low-penetration particles, such as low-energy protons, the sensor signal is created near the sensor surface, mostly at a depth less than 1 micrometer. In conventional silicon sensors, the non-active layers on the surface are much thicker than that.

El detector de avalancha de baja ganancia para partículas de baja penetración (pLGAD) propuesto se adapta a estos requisitos especiales de las partículas de baja penetración al comprender una región de entrada delgada, del orden de 15 nanómetros, preferentemente de aluminio, óxido de aluminio o nitruro de silicio. La polaridad de un electrodo colector de señales es de tipo n, de modo que los electrones primarios se desplazan hacia la región de lectura cruzando una capa de multiplicación. Esto también significa inversión de la polaridad del sustrato de silicio para mantener la unión p-n y, por lo tanto, la capa de multiplicación en la región de entrada. La unión p-n y la capa de multiplicación se trasladan al grueso, lejos de la región de entrada, y se introduce una capa delgada de absorción de tipo p.The proposed low-gain avalanche detector for low-penetration particles (pLGAD) adapts to these special requirements of low-penetration particles by comprising a thin entrance region, on the order of 15 nanometers, preferably made of aluminum, aluminum oxide or silicon nitride. The polarity of a signal collecting electrode is n-type, so that the primary electrons move towards the reading region by crossing a multiplication layer. This also means reversing the polarity of the silicon substrate to maintain the p-n junction and thus the multiplication layer in the input region. The p-n junction and multiplication layer are moved to the bulk, away from the input region, and a thin p-type absorption layer is introduced.

Por lo tanto, el detector de avalancha de baja ganancia para partículas de baja penetración (pLGAD) de la presente invención permite la detección de iones, partículas cargadas o radiación con baja profundidad de penetración (es decir, inferiores a un micrómetro). En concreto, este comprende una estructura multicapa que combina una región de entrada ultrasuperficial con una capa de multiplicación lineal y baja capacitancia, con la posibilidad de segmentación fina (pocos micrómetros) de los electrodos en la región de lectura.Therefore, the Low Penetration Particle Low Gain Avalanche Detector (pLGAD) of the present invention enables the detection of ions, charged particles or radiation with low penetration depth (i.e., less than one micrometer). Specifically, it comprises a multilayer structure that combines an ultra-shallow input region with a linear multiplication layer and low capacitance, with the possibility of fine segmentation (few micrometers) of the electrodes in the reading region.

En el detector pLGAD, solo se amplifican las señales creadas cerca de la región de entrada. Esto hace que este concepto de detector sea menos interesante para aplicaciones de partículas de alta energía, pero que sea perfectamente adecuado para experimentos de física de baja energía y aplicaciones respectivas en el campo de la ciencia, ensayos o diagnóstico médicos y de materiales. Obsérvese que, en este concepto de detector pLGAD, la mayor parte de la corriente de fuga intrínseca del detector permanece sin amplificar, pues esta corriente se crea en el grueso del material, y solo los huecos cruzan la capa de multiplicación. Por tanto, el concepto de detector pLGAD hace un uso inteligente de dos asimetrías sistemáticas para detectar partículas de baja penetración: por un lado, la señal se crea solo cerca de la superficie (región de entrada) y, por otro lado, el hecho de que solo se multiplican los electrones.In the pLGAD detector, only signals created near the input region are amplified. This makes this detector concept less interesting for high-energy particle applications, but perfectly suitable for low-energy physics experiments and respective applications in the field of medical and materials science, testing or diagnosis. Note that in this pLGAD detector concept, most of the detector's intrinsic leakage current remains unamplified, as this current is created in the bulk of the material, and only the gaps cross the multiplication layer. The pLGAD detector concept therefore makes clever use of two systematic asymmetries to detect low-penetration particles: on the one hand, the signal is created only near the surface (input region) and, on the other hand, the fact that that only the electrons multiply.

Este detector podrá aplicarse en campos como la física de neutrones, física de iones, física médica, investigación del espacio, detectores de sincrotrón y tecnología cuántica, para la detección de protones, electrones, neutrones y/o rayos X de baja energía.This detector can be applied in fields such as neutron physics, ion physics, medical physics, space research, synchrotron detectors and quantum technology, for the detection of protons, electrons, neutrons and/or low-energy X-rays.

Específicamente, el detector comprende una estructura multicapa con cinco regiones principales: una región de entrada, una región de detección de partículas de baja penetración (región dopada p), una región de detección de partículas de alta penetración (región dopada n), una región de lectura y una región periférica.Specifically, the detector comprises a multilayer structure with five main regions: an entrance region, a low-penetration particle detection region (p-doped region), a high-penetration particle detection region (n-doped region), a reading and a peripheral region.

La región de entrada se enfrenta a una fuente de radiación, recibiendo una variedad de partículas. Puede comprender un revestimiento protector y un dopaje de la parada de campo superficial p++ frente a la fuente de radiación o situado debajo del revestimiento protector, de decenas de nanómetros de grosor.The entrance region faces a radiation source, receiving a variety of particles. It may comprise a protective coating and a p++ surface field stop doping in front of the radiation source or located below the protective coating, tens of nanometers thick.

La región de detección de partículas de baja penetración se sitúa debajo de la región de entrada y comprende una capa de absorción p, ubicada debajo de la parada de campo superficial p++, y una capa de multiplicación n, situada debajo de la capa de absorción p, de aproximadamente 1 a 5 micrómetros de grosor. The low-penetration particle detection region is located below the entrance region and comprises an absorption layer p, located below the surface field stop p++, and a multiplication layer n, located below the absorption layer p , approximately 1 to 5 micrometers thick.

La región de detección de partículas de alta penetración está situada directamente debajo de la región de detección de partículas de baja penetración, todavía cerca de la región de entrada, y comprende un sustrato de silicio n--, después de la capa de multiplicación n, de aproximadamente 10 a 1000 micrómetros de grosor.The high penetration particle detection region is located directly below the low penetration particle detection region, still close to the entrance region, and comprises an n-- silicon substrate, after the n multiplication layer, approximately 10 to 1000 micrometers thick.

El dispositivo también comprende una región de lectura, que hace contacto con la región de detección de partículas de alta penetración, que puede comprender electrodos de placa, píxel o tira. Los electrodos comprenden, a su vez, contactos n++, en contacto con el sustrato de silicio n--, y contactos metálicos, conectados a los contactos n++. The device also comprises a readout region, which contacts the high penetration particle detection region, which may comprise plate, pixel or strip electrodes. The electrodes comprise, in turn, n++ contacts, in contact with the n-- silicon substrate, and metallic contacts, connected to the n++ contacts.

La región de lectura puede comprender adicionalmente paradas p+, que se alternan con los electrodos de tira y que están en contacto con el sustrato de silicio n--.The readout region may additionally comprise p+ stops, which alternate with the strip electrodes and which are in contact with the n-- silicon substrate.

Finalmente, el dispositivo también comprende una región periférica, que a su vez puede comprender uno o más contactos metálicos unidos al revestimiento protector; uno o más contactos metálicos, unidos al dopaje de parada de campo superficial p++, que permiten poner el dopaje de parada de campo superficial p++ en un potencial eléctrico definido; una capa de óxido de silicio, situada debajo del revestimiento protector; y un dopaje de terminación p+, ubicado lateralmente a ambos lados de la parada de campo superficial p++. La polaridad material del pLGAD hace que los electrones primarios,Finally, the device also comprises a peripheral region, which in turn may comprise one or more metal contacts attached to the protective coating; one or more metallic contacts, linked to the p++ surface field stop doping, which allow the p++ surface field stop doping to be placed at a defined electrical potential; a silicon oxide layer, located under the protective coating; and a p+ termination doping, located laterally on either side of the p++ surface field stop. The material polarity of pLGAD makes the primary electrons,

creados por la partícula entrante, se desplacen hacia la región de lectura. Así pues, la multiplicación actúa únicamente sobre las señales creadas en la región de detección de partículas de baja penetración.created by the incoming particle, move towards the reading region. Thus, the multiplication acts only on the signals created in the detection region of low penetration particles.

Por su diseño y su aplicación en partículas de baja penetración, el pLGAD tiene muchas propiedades ventajosas interesantes:Due to its design and its application in low penetration particles, pLGAD has many interesting advantageous properties:

- el comportamiento del ruido y el rechazo de fondo se puede optimizar eligiendo apropiadamente el grosor del detector.- noise performance and background rejection can be optimized by appropriately choosing the detector thickness.

- La SNR de partículas de baja penetración se incrementa sin inconvenientes.- The SNR of low penetration particles increases without problems.

- La forma del pulso de corriente permite una temporización rápida.- Current pulse shape allows for fast timing.

- Es factible la operación a temperatura ambiente.- Operation at room temperature is feasible.

- Flexibilidad en la elección del intervalo de energía de las partículas entrantes para una amplificación completa. - La capa de multiplicación es compatible con muchos esquemas de lectura.- Flexibility in choosing the energy range of incoming particles for full amplification. - The multiplication layer supports many reading schemes.

Los siguientes párrafos detallan las ventajas enumeradas:The following paragraphs detail the advantages listed:

el comportamiento del ruido y el rechazo de fondo se puede optimizar eligiendo apropiadamente el grosor del detector. La señal principal se crea cerca de la superficie. Por lo tanto, y a diferencia de las partículas de alta energía, la carga total depende únicamente de la energía de la partícula entrante y no del grosor del detector. Esto significa que el grosor de un pLGAD se puede elegir libremente dentro de los límites de las tecnologías de producción, para optimizar, por ejemplo, el comportamiento del ruido o la respuesta a las partículas de fondo.Noise performance and background rejection can be optimized by appropriately choosing the detector thickness. The main signal is created near the surface. Therefore, unlike high-energy particles, the total charge depends only on the energy of the incoming particle and not on the thickness of the detector. This means that the thickness of a pLGAD can be freely chosen within the limits of production technologies, to optimize, for example, noise behavior or response to background particles.

El grosor influye en la duración y amplitud del pulso y en la capacitancia de carga observada por la electrónica de lectura. Además, un pLGAD delgado (por debajo de 100 micrómetros) permitiría el paso de partículas de alta energía y suprimiría la altura de su señal, y un pLGAD grueso (por encima de los 1,5 milímetros) permitiría mediciones espectroscópicas de partículas de penetración profunda deteniéndolas por completo dentro del sensor.The thickness influences the duration and amplitude of the pulse and the charge capacitance observed by the readout electronics. Additionally, a thin pLGAD (below 100 micrometers) would allow the passage of high-energy particles and suppress their signal height, and a thick pLGAD (above 1.5 millimeters) would allow deep-penetrating particle spectroscopic measurements. stopping them completely inside the sensor.

La SNR aumenta sin inconvenientes. Con la elección de polaridades del pLGAD, solo se multiplican los electrones de ionización (electrones primarios y secundarios) creados por las partículas entrantes de baja penetración. Los electrones creados en el grueso, como a partir de una partícula de fondo en desplazamiento o por excitación térmica, se alejan de la capa de multiplicación. Esto significa que, con las partículas en desplazamiento, un pLGAD se comporta como un sensor plano.The SNR increases smoothly. With the choice of pLGAD polarities, only the ionization electrons (primary and secondary electrons) created by the incoming low-penetration particles are multiplied. Electrons created in the bulk, such as from a moving background particle or by thermal excitation, move away from the multiplication layer. This means that, with moving particles, a pLGAD behaves like a planar sensor.

La corriente de fuga y su ruido correspondiente no se amplifican. Esto significa que la SNR para partículas de baja penetración aumenta por la ganancia sin inconvenientes, a diferencia de un sensor plano.The leakage current and its corresponding noise are not amplified. This means that the SNR for low-penetration particles increases smoothly through the gain, unlike a flat sensor.

La forma de pulso actual permite una temporización rápida. Los electrones primarios atraviesan el grosor de pLGAD en un camino recto. A diferencia de las tecnologías de la competencia, en un sensor pLGAD, los electrones primarios atraviesan el grosor del detector por la vía más corta posible. Así mismo, solo los electrones cruzan el detector, y no los huecos. Esto resulta en una duración de pulso corta con un borde ascendente rápido, lo cual resulta beneficioso para la temporización.The current pulse shape allows for fast timing. The primary electrons pass through the thickness of pLGAD in a straight path. Unlike competing technologies, in a pLGAD sensor, the primary electrons pass through the thickness of the detector in the shortest possible path. Likewise, only electrons cross the detector, and not holes. This results in a short pulse duration with a fast rising edge, which is beneficial for timing.

La operación a temperatura ambiente es factible. Se pueden conseguir altas eficiencias de detección con detectores que almacenen la carga de la señal y la lean repetidamente. Esto, sin embargo, es un proceso que requiere mucho tiempo, durante el cual la corriente de fuga distorsiona la señal. En consecuencia, para dichos sensores es imprescindible el enfriamiento. Por el contrario, un pLGAD puede operar a temperatura ambiente, logrando al mismo tiempo altas eficiencias de detección. Operation at room temperature is feasible. High detection efficiencies can be achieved with detectors that store the signal charge and read it repeatedly. This, however, is a time-consuming process, during which the leakage current distorts the signal. Consequently, cooling is essential for these sensors. In contrast, a pLGAD can operate at room temperature, while achieving high detection efficiencies.

Se puede ajustar el intervalo de energía de la partícula entrante para una amplificación completa. La composición de la región de entrada define la energía mínima para que una partícula de baja penetración sea detectable. Por el contrario, la profundidad en la que se produce la multiplicación define la energía superior que puede tener una partícula entrante, mientras toda su señal se multiplica. Al fin y al cabo, para amplificarse por completo, una partícula entrante debe detenerse por completo en la capa de absorción p.The energy range of the incoming particle can be adjusted for full amplification. The composition of the entrance region defines the minimum energy for a low-penetration particle to be detectable. In contrast, the depth at which multiplication occurs defines the higher energy an incoming particle can have, while its entire signal is multiplied. After all, to be fully amplified, an incoming particle must come to a complete stop in the p-absorption layer.

La capa de multiplicación es compatible con muchos esquemas de lectura. La creación y lectura de la señal se producen en diferentes caras del detector. Por tanto, para un electrodo de lectura plano se puede elaborar un pLGAD con diferentes geometrías, por ejemplo, en forma de sensor de microtira de silicio o de disposición de píxeles, o cualquier otro esquema de lectura que pueda implementarse con electrodos de tipo n en un sustrato de tipo n. Esto incluye, entre otros, esquemas de lectura que integran la primera fase de amplificación en el detector, como los sensores HV-CMOS.The multiplication layer supports many reading schemes. The creation and reading of the signal occur on different faces of the detector. Therefore, for a planar reading electrode, a pLGAD can be made with different geometries, for example, in the form of a silicon microstrip sensor or a pixel arrangement, or any other reading scheme that can be implemented with n-type electrodes in an n-type substrate. This includes, among others, readout schemes that integrate the first amplification phase into the detector, such as HV-CMOS sensors.

Si un pLGAD se hace con un electrodo de lectura plano, es tan fácil de operar como otros sensores planos. O, dicho de otra manera, en principio, se puede añadir una capa de multiplicación parecida a un pLGAD a las tecnologías de sensores existentes para mejorar su eficiencia de detección de partículas de baja penetración.If a pLGAD is made with a flat reading electrode, it is as easy to operate as other flat sensors. Or, put another way, in principle, a pLGAD-like multiplication layer can be added to existing sensor technologies to improve their detection efficiency for low-penetration particles.

Descripción de los dibujosDescription of the drawings

Para complementar la descripción que se realiza y con el fin de contribuir a una mejor comprensión de las características de la invención, de acuerdo con un ejemplo preferido de una realización práctica de la misma, se adjunta un juego de dibujos como parte integral de dicha descripción, en donde, con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:To complement the description made and in order to contribute to a better understanding of the characteristics of the invention, according to a preferred example of a practical embodiment thereof, a set of drawings is attached as an integral part of said description. , where, for illustrative and non-limiting purposes, the following has been represented:

Figura 1- Muestra una primera realización del detector de avalancha de baja ganancia para partículas de baja penetración, en una sección transversal de la mitad de un detector.Figure 1- Shows a first embodiment of the low-gain avalanche detector for low-penetration particles, in a cross section of half a detector.

Figura 2 - Muestra una segunda realización del detector de avalancha de baja ganancia para partículas de baja penetración recibiendo radiación de baja penetración en una sección transversal.Figure 2 - Shows a second embodiment of the low gain avalanche detector for low penetration particles receiving low penetration radiation in a cross section.

Figura 3 - Muestra una sección transversal simplificada del dispositivo con el perfil del campo eléctrico.Figure 3 - Shows a simplified cross section of the device with the electric field profile.

Figura 4 - Muestra la comparación de los pulsos de corriente entre un protón de 15 keV (arriba) y una partícula mínimamente ionizante (MIP, abajo), ambos con incidencia normal de la partícula proyectil.Figure 4 - Shows the comparison of the current pulses between a 15 keV proton (top) and a minimally ionizing particle (MIP, bottom), both with normal incidence of the projectile particle.

Figura 5 - Muestra el pulso de corriente creado por un protón de 15 keV en función del tiempo, detallado en el primer pico de la figura 4.Figure 5 - Shows the current pulse created by a 15 keV proton as a function of time, detailed in the first peak of figure 4.

Figura 6 - Muestra los protones no detectados con diferentes energías a incidencia normal, en función del umbral de detección del sistema de adquisición de datos en electrones primarios.Figure 6 - Shows the undetected protons with different energies at normal incidence, depending on the detection threshold of the data acquisition system in primary electrons.

Realización preferida de la invenciónPreferred embodiment of the invention

Con la ayuda de las figuras 1-6, se describe a continuación la realización preferida de la presente invención.With the help of Figures 1-6, the preferred embodiment of the present invention is described below.

Como se muestra en la figura 1, el detector de avalancha de baja ganancia para partículas de baja penetración comprende una estructura multicapa con:As shown in Figure 1, the low-gain avalanche detector for low-penetration particles comprises a multi-layer structure with:

- una región de entrada, que comprende:- an input region, comprising:

o una capa protectora (6),or a protective layer (6),

o una parada de campo superficial p++ (1), situada debajo de la capa protectora (6) con decenas de nanómetros de grosor,or a surface field stop p++ (1), located under the protective layer (6) with tens of nanometers thickness,

- una región de detección de partículas de baja penetración, que comprende:- a low penetration particle detection region, comprising:

o una capa de absorción p (3), situada debajo de la parada de campo superficial p++ (1),or an absorption layer p (3), located below the surface field stop p++ (1),

o una capa de multiplicación (4), situada debajo de la capa de absorción p (3), de aproximadamente 1 a 5 micrómetros de grosor,or a multiplication layer (4), located below the absorption layer p (3), approximately 1 to 5 micrometers thick,

- una región de detección de partículas de alta penetración, que comprende:- a high penetration particle detection region, comprising:

o un sustrato de silicio n--(5), después de la capa de multiplicación n (4), de aproximadamente 10 a 1000 micrómetros de grosor,or an n--(5) silicon substrate, after the n-(4) multiplication layer, approximately 10 to 1000 micrometers thick,

- una región de lectura, que comprende:- a reading region, comprising:

o electrodos de píxel o tira, después de la capa de detección de partículas de alta penetración, que comprenden:or pixel or strip electrodes, after the high penetration particle detection layer, comprising:

■ contactos n++ (10), en contacto con el sustrato de silicio n--(5),■ n++ contacts (10), in contact with the n--(5) silicon substrate,

■ contactos metálicos adicionales (12), conectados a los contactos n++ (10),■ additional metal contacts (12), connected to the n++ contacts (10),

o paradas p+ (11), que se alternan con los electrodos de tira y que están en contacto con el sustrato de silicio n--(5), yor p+ stops (11), which alternate with the strip electrodes and which are in contact with the substrate of silicon n--(5), and

- una región periférica, que comprende:- a peripheral region, which includes:

o uno o más contactos óhmicos n++ (9), ubicados junto a la capa de absorción p (3),or one or more n++ ohmic contacts (9), located next to the p absorption layer (3),

o contactos metálicos (7a, 7b), en donde un primer contacto metálico (7a) está unido a la parada de campo superficial p++ (1) y uno o más segundos contactos metálicos (7b) están unidos a los contactos óhmicos n++ (9),or metallic contacts (7a, 7b), wherein a first metallic contact (7a) is attached to the surface field stop p++ (1) and one or more second metallic contacts (7b) are attached to the ohmic contacts n++ (9) ,

o una capa de óxido de silicio (8), situada debajo de la capa protectora (6), yor a layer of silicon oxide (8), located below the protective layer (6), and

o un dopaje de terminación p+ (2), situado lateralmente a ambos lados de la parada de campo superficial p++ (1).or a p+ (2) termination doping, situated laterally on either side of the p++ (1) surface field stop.

Como se muestra en la figura 2, los protones de baja energía (u otras partículas o radiación de baja penetración) provenientes de una fuente de radiación (13) iluminan el detector en la región de entrada. Los protones atravesarán la capa protectora (6), que se ha colocado, por ejemplo, mediante deposición de capas atómicas para obtener, por ejemplo, Al, AI2O3, o mediante métodos de deposición química de vapor a baja presión para obtener, por ejemplo, 3N4. As shown in Figure 2, low energy protons (or other low penetrating particles or radiation) from a radiation source (13) illuminate the detector in the entrance region. The protons will pass through the protective layer (6), which has been placed, for example, by atomic layer deposition to obtain, for example, Al, AI 2 O 3 , or by low pressure chemical vapor deposition methods to obtain, for example, YES 3 N 4 .

La capa protectora (6) se utiliza para proteger la superficie del detector de la humedad o las ralladuras y garantiza la estabilidad eléctrica a largo plazo cuando opera a tensiones de polarización alta. La capa protectora (6) puede actuar como una capa antirreflectante para la radiación visible, ultravioleta e infrarroja. La capa protectora (6) también se puede utilizar como capa de conversión para los neutrones entrantes. El grosor mínimo depositado es del orden de unos pocos nanómetros y puede optimizarse para diferentes longitudes de onda de radiación.The protective layer (6) is used to protect the surface of the detector from moisture or scratches and ensures long-term electrical stability when operating at high bias voltages. The protective layer (6) can act as an anti-reflective layer for visible, ultraviolet and infrared radiation. The protective layer (6) can also be used as a conversion layer for incoming neutrons. The minimum deposited thickness is on the order of a few nanometers and can be optimized for different radiation wavelengths.

El dopaje de terminación p+ (2) de la región periférica debe formarse lateralmente al lado de la parada de campo superficial p++, con el fin de evitar picos de campo eléctrico y garantizar una operación estable en alta tensión. The p+ (2) termination doping of the peripheral region should be formed laterally next to the p++ surface field stop, in order to avoid electric field peaks and ensure stable operation at high voltage.

Los protones entrantes tendrán que atravesar también la región altamente dopada, la parada de campo superficial p++ (i), y, por lo tanto, debe mantenerse lo más delgada posible para evitar la recombinación de los electrones-huecos generados por ellos. La capa de absorción p (3) se puede crear, por ejemplo, mediante la implantación de iones y una variedad de dopantes (B, Ga, Al).The incoming protons will also have to pass through the highly doped region, the p++(i) surface field stop, and must therefore be kept as thin as possible to avoid recombination of the electron-holes generated by them. The p(3) absorption layer can be created, for example, by implantation of ions and a variety of dopants (B, Ga, Al).

En concreto, la profundidad de la parada de campo superficial p++ (1) debe ser inferior a 100 nanómetros, ya que las partículas de protones de baja energía penetrarán en el orden de varios cientos de nanómetros. Por lo tanto, la capa de absorción p (3) de, por ejemplo, 1 micrómetro de grosor se coloca debajo para absorber toda la energía depositada por el protón (u otras partículas de baja penetración). Para obtener una señal multiplicada de la carga acumulada, la sección de detección de partículas de baja penetración y la capa de multiplicación tipo n, se sitúa por encima de la capa de detección de partículas de alta penetración, resultando en un perfil final de triple dopaje.Specifically, the depth of the p++(1) surface field stop must be less than 100 nanometers, since low-energy proton particles will penetrate on the order of several hundred nanometers. Therefore, the p(3) absorption layer of, say, 1 micrometer thick is placed underneath to absorb all the energy deposited by the proton (or other low-penetration particles). To obtain a multiplied signal of the accumulated charge, the low-penetration particle detection section and the n-type multiplication layer are placed above the high-penetration particle detection layer, resulting in a final triple-doping profile. .

Así pues, en la unión p/n se crea un campo eléctrico elevado, es decir, superior a > 3,105 V/cm, mostrado en la figura 3, donde se multiplicarán los electrones primarios de los pares electrón-hueco creados (e-/h +). Thus, at the p/n junction a high electric field is created, that is, greater than > 3.105 V/cm, shown in figure 3, where the primary electrons of the electron-hole pairs created will multiply ( e-/ h + ).

La capa de absorción p (3) y la capa de multiplicación n (4) pueden crearse mediante implantación de iones o por crecimiento epitaxial. El control de los perfiles y formas de dopaje es importante para lograr una ganancia de electrones adecuada y evitar averías prematuras.The p absorption layer (3) and the n multiplication layer (4) can be created by ion implantation or by epitaxial growth. Control of doping profiles and forms is important to achieve adequate electron gain and avoid premature breakdowns.

El grosor de la capa de absorción p (3) frente a la capa de multiplicación n (4), que forman la unión p-n, se puede adaptar para que coincida con la profundidad de penetración de las partículas entrantes o la radiación.The thickness of the p(3) absorption layer versus the n(4) multiplication layer, which form the p-n junction, can be tailored to match the penetration depth of incoming particles or radiation.

El sustrato de silicio n--(5) disminuye la capacitancia y mejora la estabilidad con respecto a los cambios en la tensión de polarización, que se refiere directamente a la capacitancia. El grosor de la capa de detección de partículas de alta penetración está diseñado para reducir la capacitancia de entrada a la electrónica de lectura y, por lo tanto, el ruido. Los posibles valores de su grosor oscilarán entre 10 micrómetros y 1000 micrómetros (o incluso por encima, si la tecnología lo permite). El grosor de la capa de detección de partículas de alta penetración define la tensión mínima de operación del detector, ya que, para obtener la capacitancia mínima, el sustrato completo debe agotarse de cargas. The n--(5) silicon substrate decreases capacitance and improves stability with respect to changes in bias voltage, which directly relates to capacitance. The thickness of the high penetration particle detection layer is designed to reduce input capacitance to the readout electronics and therefore noise. The possible values of its thickness will range between 10 micrometers and 1000 micrometers (or even higher, if technology allows). The thickness of the high-penetration particle detection layer defines the minimum operating voltage of the detector, since to obtain the minimum capacitance, the entire substrate must be depleted of charges.

La región de lectura del detector, que puede estar en su parte trasera, está segmentada con contactos n++ (10) conectados a la electrónica de lectura a través de contactos metálicos adicionales (12). Los contactos n++ (10) se pueden formar, como se muestra en la figura 2, con fósforo o dopantes equivalentes mediante implantación iónica y con diferentes geometrías, tales como placas, píxeles o tiras de diferentes tamaños. En principio, se puede utilizar cualquier esquema de lectura compatible con contactos n-en-n, aunque depende de la concentración de la capa de multiplicación n (4) y de la región de absorción p (3). Eso incluye, entre otros, píxeles monolíticos como los que se utilizan en los sensores HV-CMOS.The reading region of the detector, which may be at its rear, is segmented with n++ contacts (10) connected to the reading electronics through additional metal contacts (12). The n++ (10) contacts can be formed, as shown in Figure 2, with phosphorus or equivalent dopants by ion implantation and with different geometries, such as plates, pixels or strips of different sizes. In principle, any readout scheme compatible with n-in-n contacts can be used, although it depends on the concentration of the multiplication layer n (4) and the absorption region p (3). That includes, but is not limited to, monolithic pixels like those used in HV-CMOS sensors.

Los resultados preliminares de la simulación muestran que el proceso de avalancha se refiere a la concentración de dopaje de la región de absorción p (3) y a la región de multiplicación n (4) de la estructura propuesta. En este sentido, es posible sintonizar la amplitud del campo eléctrico máximo para ajustar su rendimiento eléctrico, optimizar la ganancia frente a la tensión del ánodo para aumentar su evolución lineal antes de la tensión de ruptura. Preliminary simulation results show that the avalanche process refers to the doping concentration of the p(3) absorption region and the n(4) multiplication region of the proposed structure. In this sense, it is possible to tune the amplitude of the maximum electric field to adjust its electrical performance, optimize the gain against the anode voltage to increase its linear evolution before the breakdown voltage.

En un sensor plano, la señal medible es un pulso de corriente creado por el desplazamiento de los portadores de carga hacia los electrodos. Hay que simular el pulso de corriente esperado en el detector de la invención y dividir los pulsos de corriente de los electrones primarios, huecos primarios, electrones secundarios, huecos secundarios y pulso de corriente sumado.In a planar sensor, the measurable signal is a current pulse created by the movement of charge carriers toward the electrodes. The current pulse expected in the detector of the invention must be simulated and the current pulses of the primary electrons, primary holes, secondary electrons, secondary holes and summed current pulse must be divided.

La figura 4 muestra la superposición de estos pulsos de corriente creados por un protón de 15 keV (arriba, baja penetración) y una MIP (abajo, atravesando todo el grosor del sensor), ambos con incidencia normal. Solo se amplifican las señales cercanas a la región de entrada. Para una partícula en desplazamiento muy energética, por ejemplo, una MIP, un pLGAD se comporta como un sensor plano clásico.Figure 4 shows the superposition of these current pulses created by a 15 keV proton (top, low penetration) and an MIP (bottom, passing through the entire thickness of the sensor), both at normal incidence. Only signals close to the input region are amplified. For a very energetic moving particle, for example a MIP, a pLGAD behaves like a classic planar sensor.

La figura 5 muestra en detalle el pulso de corriente creado por un protón de 15 keV. Las características más importantes de la forma del pulso son (ordenadas cronológicamente):Figure 5 shows in detail the current pulse created by a 15 keV proton. The most important characteristics of the pulse shape are (chronologically ordered):

- Punto 1 (1 ps): una pequeña bajada cuando los orificios primarios se recopilan en la región de entrada (línea de puntos sueltos).- Point 1 (1 ps): a small drop when the primary holes are collected in the entry region (loose dotted line).

- Punto 2 (4 ps): un fuerte aumento cuando los electrones primarios se multiplican y se crean electrones secundarios (línea discontinua gruesa).- Point 2 (4 ps): a sharp increase when primary electrons multiply and secondary electrons are created (thick dashed line).

- Punto 3 (11 ps): una pequeña caída cuando los orificios secundarios se recopilan en la región de entrada (línea de puntos gruesos).- Point 3 (11 ps): a small drop when the secondary holes are collected in the entry region (thick dotted line).

- Punto 4 (26 ps): una pendiente descendente cuando los electrones secundarios abandonan la capa de multiplicación altamente dopada (línea discontinua gruesa). Esto marca el final del pico inicial.- Point 4 (26 ps): a downward slope as the secondary electrons leave the highly doped multiplication layer (thick dashed line). This marks the end of the initial spike.

- Punto 5 (30 ps): una meseta cuando los electrones primarios y secundarios se desplazan hacia la región de lectura en un paquete compacto (línea discontinua suelta y discontinua gruesa).- Point 5 (30 ps): a plateau when the primary and secondary electrons move toward the readout region in a compact package (loose dashed and thick dashed line).

- Punto 6 (3 ns, mostrado en la figura 4): un ligero aumento cuando los electrones primarios y secundarios alcanzan los alrededores electrodo de lectura y experimentan un campo de mayor ponderación.- Point 6 (3 ns, shown in Figure 4): a slight increase when the primary and secondary electrons reach the surrounding reading electrode and experience a higher weighting field.

- Punto 7 (3,7 ns, mostrado en la figura 4): una fuerte caída cuando los electrones de ionización (electrones primarios y secundarios) se recopilan en el electrodo de lectura.- Point 7 (3.7 ns, shown in Figure 4): a sharp drop when the ionization electrons (primary and secondary electrons) are collected at the readout electrode.

La forma exacta del pulso de corriente depende de muchas cosas, como los perfiles de dopaje, la profundidad de la unión p-n y el grosor de la capa de multiplicación. El pulso de corriente que se muestra en la figura 5 es el resultado de una configuración de simulación simplificada; los perfiles de dopaje realistas derivarán en una forma más descolorida. Sin embargo, las características principales de la forma del pulso seguirán estando presentes.The exact shape of the current pulse depends on many things, such as the doping profiles, the depth of the p-n junction, and the thickness of the multiplication layer. The current pulse shown in Figure 5 is the result of a simplified simulation setup; realistic doping profiles will result in a more faded shape. However, the main characteristics of the pulse shape will still be present.

El concepto pLGAD apunta a un nicho específico: sensor de silicio de ruido ultra bajo, resolución de posición, con región de entrada delgada para retroiluminación. Este nicho también lo comparten otras dos tecnologías de silicio: detector de deriva de silicio (SDD) y transistor de efecto de campo de canal P agotado (DEPFET).The pLGAD concept targets a specific niche: ultra-low noise, position-resolving silicon sensor, with thin entrance region for backlighting. This niche is also shared by two other silicon technologies: silicon drift detector (SDD) and depleted P-channel field effect transistor (DEPFET).

Los SDD son una opción común en la física de baja energía, especialmente donde se deben instrumentar grandes áreas y solo se requiere una resolución de posición aproximada. Compararlos con un pLGAD no sería justo, pues un SDD brilla con elementos de detección de área grande en el orden de centímetros cuadrados. Este tamaño es mucho mayor que la resolución de la posición objetivo de los sensores pLGAD, por lo que no tenemos estimaciones de ruido directamente comparables con el SDD. En consecuencia, se menciona el SDD por exhaustividad, pero no se presenta una comparación detallada de los respectivos rendimientos.SDDs are a common choice in low-energy physics, especially where large areas must be instrumented and only coarse position resolution is required. Comparing them to a pLGAD would not be fair, as an SDD shines with large area detection elements on the order of square centimeters. This size is much larger than the target position resolution of the pLGAD sensors, so we do not have noise estimates directly comparable to the SDD. Consequently, the SDD is mentioned for completeness, but a detailed comparison of the respective performances is not presented.

Los sensores DEPFET tienen su origen en la investigación de partículas de alta energía y están disponibles con tamaños de píxel pequeños, hasta decenas de micrómetros. En combinación con anillos de deriva (como en un SDD), son posibles tamaños de píxel más grandes.DEPFET sensors have their origins in high-energy particle research and are available with small pixel sizes, down to tens of micrometers. In combination with drift rings (as in an SDD), larger pixel sizes are possible.

Podemos comparar directamente el rendimiento del pLGAD y el DEPFET en la figura 6 en un tamaño de píxel de 0,4 x 1,6 milímetros cuadrados. Un sensor DEPFET con la geometría de píxeles adecuada alcanza un umbral de detección por debajo de 30 electrones primarios, si se enfría a -50 °C. El pLGAD está limitado a más de 50 electrones primarios, pero a temperatura ambiente.We can directly compare the performance of pLGAD and DEPFET in Figure 6 at a pixel size of 0.4 x 1.6 square millimeters. A DEPFET sensor with the appropriate pixel geometry achieves a detection threshold below 30 primary electrons, if cooled to -50°C. pLGAD is limited to more than 50 primary electrons, but at room temperature.

Tanto la tecnología DEPFET como la SDD presentan una serie de complicaciones: los sensores son complejos y, por lo tanto, caros, y requieren al menos 7 (5 para SDD) tensiones de operación diferentes. Para un sensor DEPFEt , el enfriamiento es obligatorio para mantener baja la corriente de fuga y su correspondiente ruido y, por lo tanto, aumentar la eficiencia de detección (véase la figura 6). Además, la tecnología DEPFET conlleva varios chips de lectura personalizados diferentes y tiene una velocidad de imagen relativamente baja del orden de microsegundos.Both DEPFET and SDD technologies present a number of complications: the sensors are complex and therefore expensive, and require at least 7 (5 for SDD) different operating voltages. For a DEPFE t sensor, cooling is mandatory to keep the leakage current and its corresponding noise low and therefore increase the detection efficiency (see Figure 6). Additionally, DEPFET technology involves several different custom readout chips and has a relatively low frame rate on the order of microseconds.

Por el contrario, el pLGAD propuesto puede operar con una sola tensión de alimentación, funciona con sistemas de lectura comerciales que pueden leer sensores planos, se puede operar a temperatura ambiente, tiene una alta resolución de tiempo intrínseco y es mucho más barato gracias al proceso de producción planar simple.In contrast, the proposed pLGAD can operate on a single supply voltage, works with commercial readout systems that can read planar sensors, can be operated at room temperature, has high intrinsic time resolution, and is much cheaper thanks to the process. simple planar production.

La figura 6 muestra el porcentaje de protones no detectados en función del umbral de detección del sistema de adquisición de datos, para diferentes energías protónicas a incidencia normal, y con una capa protectora (6) de 15 nm. Figure 6 shows the percentage of undetected protons as a function of the detection threshold of the data acquisition system, for different proton energies at normal incidence, and with a protective layer (6) of 15 nm.

Para aportar mayor claridad, la figura 6 no tiene barras de error, pero debido a la variación estadística del método Montecarlo, los valores representados pueden ser mayores o menores. Los protones pueden pasar desapercibidos debido a la retrodispersión, cuando depositan muy poca energía en la región activa del detector, o cuando se detienen por completo en la capa no activa.For clarity, Figure 6 does not have error bars, but due to the statistical variation of the Monte Carlo method, the values represented may be higher or lower. Protons can go undetected due to backscatter, when they deposit too little energy in the active region of the detector, or when they stop completely in the non-active layer.

Con energías de protones de 15 keV, el pLGAD supera los sensores DEPFET no enfriados con el mismo diseño de píxeles y logra casi la misma eficiencia de detección que uno enfriado. En el mejor de los casos, parece posible una pérdida de protones del orden del 0,15 % (o una eficiencia de detección del 99,85 %). With proton energies of 15 keV, the pLGAD outperforms uncooled DEPFET sensors with the same pixel design and achieves almost the same detection efficiency as a cooled one. In the best case, a proton loss on the order of 0.15% (or a detection efficiency of 99.85%) seems possible.

Claims (11)

REIVINDICACIONES 1. Un detector de avalancha de baja ganancia para partículas de baja penetración con una estructura multicapa, configurado para recibir partículas de una fuente de radiación (13), en donde el detector comprende:1. A low gain avalanche detector for low penetration particles with a multilayer structure, configured to receive particles from a radiation source (13), wherein the detector comprises: - una región de entrada, configurada para recibir las partículas de la fuente de radiación (13), y que comprende:- an entrance region, configured to receive the particles from the radiation source (13), and comprising: o una parada de campo superficial p++ (1), yor a shallow field stop p++ (1), and - una región de detección de partículas de baja penetración, que comprende las siguientes capas, en profundidad creciente:- a low penetration particle detection region, comprising the following layers, in increasing depth: o una capa de absorción p (3), situada debajo de la parada de campo superficial p++ (1),or an absorption layer p (3), located below the surface field stop p++ (1), o una capa de multiplicación n (4), situada debajo de la capa de absorción p (3),or a multiplication layer n (4), located below the absorption layer p (3), - una región de detección de partículas de alta penetración, que comprende:- a high penetration particle detection region, comprising: o un sustrato de silicio n--(5), después de la capa de multiplicación n (4), debajo de la región de detección de partículas de baja penetración,or an n--(5) silicon substrate, after the n-multiplying layer (4), below the low-penetration particle detection region, - una región de lectura, que hace contacto con la región de detección de partículas de alta penetración, y - una región periférica, que comprende:- a reading region, which makes contact with the high penetration particle detection region, and - a peripheral region, comprising: o un dopaje de terminación p+ (2), situado lateralmente a ambos lados de la parada de campo superficial p++ (1), yor a p+ (2) termination doping, located laterally on either side of the p++ (1) surface field stop, and o uno o más contactos metálicos (7a), unidos a la parada de campo superficial p++ (1).or one or more metal contacts (7a), attached to the surface field stop p++ (1). 2. El detector según la reivindicación 1, en donde la región de entrada comprende adicionalmente una capa protectora (6), situada sobre la parada de campo superficial p++ (1).2. The detector according to claim 1, wherein the input region additionally comprises a protective layer (6), located over the p++ surface field stop (1). 3. El detector según la reivindicación 2, en donde la capa protectora (6) es una capa de conversión para los neutrones entrantes.3. The detector according to claim 2, wherein the protective layer (6) is a conversion layer for incoming neutrons. 4. El detector según la reivindicación 2, en donde la región periférica comprende adicionalmente una capa de óxido de silicio (8), situada debajo de la capa protectora (6).4. The detector according to claim 2, wherein the peripheral region additionally comprises a silicon oxide layer (8), located below the protective layer (6). 5. El detector según la reivindicación 1, en donde la parada de campo superficial p++ (1) está dentro del rango de decenas de nanómetros de grosor.5. The detector according to claim 1, wherein the surface field stop p++ (1) is within the range of tens of nanometers in thickness. 6. El detector según la reivindicación 1, en donde la capa de multiplicación n (4) está dentro del intervalo de 1 a 5 micrómetros de grosor.6. The detector according to claim 1, wherein the multiplication layer n (4) is within the range of 1 to 5 micrometers in thickness. 7. El detector según la reivindicación 1, en donde el sustrato de silicio n--(5) está dentro del intervalo de 10 a 1000 micrómetros de grosor.7. The detector according to claim 1, wherein the n--(5) silicon substrate is within the range of 10 to 1000 micrometers in thickness. 8. El detector según la reivindicación 1, en donde la región periférica comprende además contactos óhmicos n++ (9), ubicados a ambos lados de la capa de absorción P (3).8. The detector according to claim 1, wherein the peripheral region further comprises n++ ohmic contacts (9), located on both sides of the absorption layer P (3). 9. El detector según la reivindicación 1, en donde la región de lectura comprende además electrodos segmentados, después de la capa de detección de partículas de alta penetración, opuestos a la capa de detección de partículas de baja penetración.9. The detector according to claim 1, wherein the reading region further comprises segmented electrodes, after the high penetration particle detection layer, opposite the low penetration particle detection layer. 10. El detector según la reivindicación 9, en donde los electrodos segmentados comprenden contactos n++ (10), en contacto con el sustrato de silicio n--(5), y contactos metálicos adicionales (12), conectados a los contactos n++ (10).10. The detector according to claim 9, wherein the segmented electrodes comprise n++ contacts (10), in contact with the n--silicon substrate (5), and additional metal contacts (12), connected to the n++ contacts (10 ). 11. El detector según la reivindicación 9, en donde la región de lectura comprende además paradas p+ (11), que se alternan con los electrodos segmentados y en contacto con el sustrato de silicio n--(5). 11. The detector according to claim 9, wherein the reading region further comprises p+ stops (11), which alternate with the segmented electrodes and in contact with the n--silicon substrate (5).
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